增材制造技术在复杂飞机结构件生产中的精度控制

引言：

随着航空工业的不断发展，对飞机结构件的要求越来越高。传统的飞机结构件制造方法往往受到材料、工艺和设备的限制，难以满足复杂形状和高性能要求。增材制造技术作为一种新兴的制造技术，以其独特的优势在生产复杂结构件方面展现出巨大的潜力。增材制造技术通过逐层添加材料的方法，能够根据计算机三维设计图纸直接生成零部件，特别适用于制造形状复杂、结构内部充满复杂通道的飞机结构件。然而，增材制造技术在实际应用中面临着精度控制的问题，尤其是在飞机结构件的生产中，精度要求极高，一旦精度无法保证，将直接影响到结构件的性能和安全性。因此，精度控制成为增材制造技术在飞机结构件生产中的关键问题。本文旨在分析增材制造技术在复杂飞机结构件生产中的精度控制问题，探讨当前精度控制的技术手段及其发展趋势，为航空制造业提供有效的技术支持。

1 增材制造技术在飞机结构件生产中的应用现状

增材制造技术由于其高效、灵活的特点，广泛应用于航空航天领域，特别是在复杂飞机结构件的制造中。飞机结构件通常具有高度的复杂性和精密度要求，传统的制造方法往往难以完成这一任务。增材制造技术通过直接将计算机模型转换为实物，能够有效实现复杂形状的制造，并减少材料浪费。例如，激光粉末床熔化（LPBF）、电子束熔化（EBM）等技术已被应用于制造飞机的零部件，如发动机支架、机翼内结构和复杂的连接部件等。这些部件的设计通常包括复杂的内腔、薄壁结构和异形孔道等，而增材制造技术可以在不受传统加工限制的情况下，灵活地构建出这些复杂的几何形状，极大地提高了生产效率和设计自由度。然而，尽管增材制造在复杂结构件生产中具有诸多优势，精度问题仍然是一个亟待解决的难题。增材制造过程中的热变形、材料收缩、设备误差等因素都会影响到最终产品的精度。因此，提高增材制造的精度成为推动其在飞机结构件制造中广泛应用的关键。

2 增材制造精度控制的关键因素

增材制造过程中的精度控制涉及多个方面，其中主要包括材料选择、打印路径优化、设备控制和环境因素等。首先，材料选择对增材制造精度有着至关重要的影响。不同的材料具有不同的热膨胀系数、熔点和流动性，这些特性决定了材料在加热和冷却过程中可能产生的变形程度。例如，钛合金和铝合金等高性能材料的熔点较高，材料在熔化和冷却过程中的收缩问题较为明显，这就需要通过优化工艺参数和控制冷却速率来减少变形。其次，打印路径的优化是控制精度的另一关键因素。增材制造过程中，打印路径的选择直接影响到层与层之间的连接质量以及表面光滑度。通过合理设计打印路径，可以减少层间热应力，避免因应力集中而导致的变形问题。设备控制也是影响精度的一个重要因素。设备的稳定性、精度和运动控制系统的性能直接影响到打印过程中的精度要求。高精度的激光扫描系统、精准的熔池控制技术以及精密的打印平台设计都是确保增材制造精度的重要保障。此外，环境因素对增材制造的精度也有一定影响。

3 提高增材制造精度的技术方法

为了解决精度控制的问题，研究者们提出了多种方法来提高增材制造的精度。首先，优化工艺参数是提高精度最直接有效的方式之一。通过调整激光功率、扫描速度、层厚等工艺参数，可以控制熔池的形成和熔融材料的流动，从而减少变形和缺陷的发生。对于不同的材料和不同的打印机，优化这些参数能够在保证结构强度和性能的同时，达到理想的精度要求。其次，后处理工艺也是提高精度的一种有效手段。增材制造的零部件在打印完成后，通常需要进行热处理、去应力处理、表面抛光等后处理步骤，以提高其尺寸精度和表面质量。特别是在飞机结构件的生产中，后处理工艺对于确保结构件的尺寸精度和光洁度至关重要。再次，采用多轴打印技术也是一种提高精度的方法。传统的增材制造技术一般采用二维或三维打印路径，容易导致层间错位或变形。而多轴打印技术通过改变打印角度和路径，使得打印过程更加灵活，能够有效减少打印过程中出现的误差，提高最终产品的精度。最后，精密设备的引入也是提高精度的关键。

4 增材制造精度控制的挑战与发展趋势

尽管增材制造技术在飞机结构件的生产中具有广泛的应用前景，但精度控制仍然面临诸多挑战。首先，由于增材制造技术的特殊性，热变形和应力集中问题仍然是影响精度的主要因素。尤其是在复杂几何形状和大尺寸结构件的制造过程中，材料的热膨胀系数、冷却速度等因素可能导致不均匀的热变形，从而影响零件的尺寸精度。其次，增材制造过程中的层与层之间的结合强度和表面质量也是影响精度的关键因素。由于打印过程中层与层之间的结合是通过熔化和冷却形成的，因此容易产生表面粗糙度较高或结合不牢固的缺陷，这对结构件的精度和性能产生不利影响。最后，随着航空工业对复杂结构件的需求不断增加，增材制造技术在精度控制方面的挑战将会更加突出。

5 增材制造技术在复杂飞机结构件中的精度控制展望

随着航空技术的不断发展，飞机结构件的制造要求日益复杂和精细化，增材制造技术的精度控制也面临着越来越高的要求。未来，增材制造技术将在材料选择、工艺优化、设备创新和后处理技术等方面得到更大的突破。通过改进材料性能，优化工艺参数，提升设备精度，增材制造在复杂飞机结构件生产中的应用精度将不断提高，为航空工业提供更加高效、精准的制造解决方案。此外，智能化制造和大数据分析技术的结合，将使得增材制造过程更加可控和可预测，为精度控制提供新的思路和技术路径。总的来说，随着精度控制技术的不断发展，增材制造将在飞机结构件生产中发挥越来越重要的作用，为航空工业的创新和发展做出更大贡献。

6 结论

增材制造技术在复杂飞机结构件生产中的应用，具有极大的潜力和优势。然而，精度控制仍然是影响其广泛应用的关键因素。本文分析了增材制造技术在飞机结构件生产中的应用现状，探讨了精度控制的关键因素，并提出了优化工艺参数、采用后处理技术、多轴打印技术等提高精度的方法。研究表明，随着技术的不断进步，增材制造技术在飞机结构件生产中的精度控制将不断得到改善，并为航空制造业提供更高效、精准的解决方案。未来，随着新材料、新技术和智能制造的不断发展，增材制造技术将在航空工业中发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1] 顾冬冬 ， 戴冬华 ， 夏木建 ， 等 . 金属构件选区激光熔化增材制造控形与控性的跨尺度物理学机制 [J]. 南京航空航天大学学报 ，2017，49（05）：645-652.DOI：10.16356/j.1005-2615.2017.05.007.

[2] 党晓玲 ， 王婧 . 外军武器装备增材制造未来应用方向分析 [J]. 国防制造技术 ，2019，（02）：18-21.

[3] 杨冰 ， 廖贞 ， 吴圣川 ， 等 . 增材制造技术发展和在先进轨道交通装备 中 的 应 用 展 望 [J]. 交 通 运 输 工 程 学 报 ，2021，21（01）：132-153.DOI：10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.01.006.